Hochtemperatur-Ultraschallwandler zur kontinuierlichen Strukturüberwachung von Dampfleitungen

Abstract:
Schäden an funktions- und sicherheitsrelevanten Strukturbauteilen verursachen in verschiedenen Industriebereichen hohe Kosten. Um Defekte schon bei ihrer Entstehung rechtzeitig zu entdecken und unnötige Stillstandzeiten oder gar Unfälle zu vermeiden, ist in der Regel ein hoher Wartungsaufwand erforderlich. Statt die Lebensdauer sicherheitsrelevanter Bauteile wie bisher auf Basis vorgegebener Wartungsregimes aufwändig zu analysieren, ermöglichen neuartige Sensorkonzepte die Umstellung auf zustandsabhängige Wartungsmaßnahmen. Intelligente Condition Monitoring Systeme (CMS) eignen sich aber nicht nur zur Überwachung von Bauteilen bei niedrigen Einsatztemperaturen. Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet ist die Überprüfung von bis zu 700 °C heißen Rohrleitungen oder Behältnissen, wie sie in der chemischen Industrie und in der Kraftwerkstechnik zum Einsatz kommen. Eigens für diese Anwendung wurden am Fraunhofer ISC spezielle hochtemperaturtaugliche piezoelektrische Ultraschallwandler entwickelt, die kontinuierlich den Zustand der Stahlrohrleitung bezüglich Risse bzw. deren Entstehung und großflächiger Oberflächenkorrosion analysieren. Für den Einsatz in dieser Hochtemperaturumgebung sind herkömmliche auf Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) basierte piezoelektrische Resonatoren aufgrund ihrer zu geringen Curie-Temperatur nicht geeignet. Die am Fraunhofer ISC entwickelten Hochtemperatur-Ultraschallwandler basieren auf Einkristallresonatoren (z.B. Langasit), die zur Passivierung – und auch zur späteren Befestigung der Wandler am Einsatzort – in Spezialglaslot eingebettet sind. Über den Wandler werden Ultraschall-Lambwellen in die Bauteilstruktur eingekoppelt und aus der Signalanalyse kann prinzipiell die Entstehung von Mikrorissen oder Korrosion nachgewiesen werden. Mit Hilfe der Steuerungselektronik werden die Resonatoren in den Wandlern im Ultraschallbereich zu Schwingungen angeregt, die sich wellenförmig in der Bauteiloberfläche ausbreiten. Das dabei entstehende Wellenmuster wird an ein Empfangsgerät übertragen. Risse und Schäden verändern das gleichmäßige Wellenfeld und lassen sich so detektieren. Alternativ können auch die charakteristischen Schallwellen bei der Rissentstehung und –ausbreitung durch diese Wandler integral analysiert werden. Damit wird es möglich werden, bis 700 °C heiße Rohrleitungen oder Behälter von Chemieanlagen und Kraftwerken kontinuierlich während des Betriebs zu überwachen. Das Ultraschallfeld eines Wandlers reicht etwa einen Meter weit, so dass bereits wenige Wandler genügen, um ein lückenloses Sensornetzwerk an den besonders gefährdeten Stellen von heißen Rohrleitungen zu etablieren.